Höhere Mathematik für Ingenieure: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 20 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Grenzwerte

Direktes Einsetzen
setze zuerst x = a ein; 0/0 bedeutet: vereinfachen
Faktorisieren und kürzen
xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
Konjugierte
(√x − √a)(√x + √a) = x − a
Grenzwerte im Unendlichen
teile durch die höchste Potenz von x; bei gleichem Grad ergibt sich das Verhältnis der Leitkoeffizienten
Spezieller Grenzwert
limx→∞ (1 + a/x)bx = eab
Regel von L'Hôpital
lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

Ableitungen

Potenzregel
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Produktregel
(uv)′ = u′v + uv′
Quotientenregel
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Kettenregel
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Wichtige Ableitungen
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Methode

  1. Erkenne die Struktur: Summe, Produkt, Quotient oder Verkettung.
  2. Wende die Potenzregel auf jede Potenz von x an.
  3. Verwende bei Bedarf Produkt-, Quotienten- oder Kettenregel.
  4. Vereinfache und werte an der Stelle aus, falls verlangt.

Integrale

Potenzregel
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Bestimmtes Integral
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Wichtige Integrale
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Fläche zwischen Kurven
∫ab (f − g) dx

Methode

  1. Schreibe den Integranden, wenn möglich, als Summe einfacher Terme.
  2. Wende die Potenzregel an: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), und die Grundintegrale für ex, 1/x, sin und cos.
  3. Verwende Substitution, wenn du eine Funktion zusammen mit ihrer Ableitung siehst.
  4. Für ein bestimmtes Integral berechnest du F(b) − F(a).

Komplexe Zahlen

Kartesische Form
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Betrag und Argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Polar- und Exponentialform
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Division
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produkt und Quotient
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-te Wurzeln
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Quadratische Gleichung mit p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Methode

  1. Entscheide, welche Form zur Operation passt: kartesisch a + jb zum Addieren und Subtrahieren, polar r∠θ zum Multiplizieren, Dividieren, Potenzieren und Wurzelziehen.
  2. Multipliziere mit j² = −1 aus; dividiere, indem du Zähler und Nenner mit der konjugiert komplexen Zahl des Nenners multiplizierst.
  3. Wandle mit r = √(a² + b²) um und bestimme θ anhand einer Skizze des Punktes (Quadrant prüfen), und zurück mit a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Verwende für Potenzen De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; liste für zⁿ = R∠φ alle n Wurzeln R1/n∠((φ + 360°k)/n) auf.

Differentialgleichungen

Exponentielles Wachstum/exponentieller Zerfall
dy/dt = ky → y = y0ekt
Halbwertszeit
k = ln 2 / t½
Newtonsches Abkühlungsgesetz
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Integrierender Faktor
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Mischbehälter
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Matrizen & Determinanten

2×2-Determinante
det = ad − bc
Inverse einer 2×2-Matrix
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Produkt
(AB)ij = Σk AikBkj
Eigenwerte
det(A − λI) = 0
Cramersche Regel
xi = det(Ai)/det(A)

Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Betrag
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Einheitsvektor
û = a/|a|
Komponenten aus einem Winkel
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Skalarprodukt
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Skalare Projektion von a auf b
a·b/|b|
Arbeit
W = F·d
Kreuzprodukt
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Flächen
Parallelogramm |a × b|, Dreieck ½|a × b|
Moment um O
MO = r × F, r = A − O
Volumen eines Spats (Parallelepipeds)
V = |a·(b × c)|

Methode

  1. Schreibe jeden Vektor in Komponenten; bei einer Kraft, die mit Betrag und Winkel gegeben ist, verwende F·cos θ und F·sin θ.
  2. Für Längen und Richtungen verwende den Betrag √(x² + y² + z²) und den Einheitsvektor a/|a|.
  3. Verwende das Skalarprodukt für Winkel, Projektionen, Orthogonalität und Arbeit: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Verwende das Kreuzprodukt für senkrechte Vektoren, Flächen und Momente: Schreibe die drei Komponenten sorgfältig auf und behalte die Reihenfolge a × b bei.

Wahrscheinlichkeit

Gegenereignis
P(not A) = 1 − P(A)
Additionssatz
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Unabhängige Ereignisse
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Bedingte Wahrscheinlichkeit
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomialverteilung
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Beschreibende Statistik

Mittelwert
x̄ = Σx/n
Stichproben-Standardabweichung
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Median
mittlerer Wert der sortierten Daten
z-Wert
z = (x − μ)/σ
Normalverteilung
68% innerhalb ±1σ, 95% innerhalb ±2σ

Normalverteilung

z-Wert
z = (x − μ)/σ
Unterhalb von x
P(X < x) = Φ(z)
Oberhalb von x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Dazwischen
Φ(z2) − Φ(z1)
Perzentil
x = μ + z·σ

Methode

  1. Rechne den Wert in einen z-Wert um: z = (x − μ)/σ.
  2. Lies Φ(z) ab, die Fläche links von z.
  3. Für die Fläche rechts verwende 1 − Φ(z); für ein Intervall subtrahiere die beiden linken Flächen.
  4. Für ein Perzentil rechnest du rückwärts: Bestimme z zur Fläche, dann x = μ + z·σ.

2Übungsaufgaben

1.GrenzwerteMittel
xyy = L

Bestimme den Grenzwert L = limx→∞ (1 − 1/x)x. Gib einen Dezimalwert an.

f(x) = (1 − 1/x)xx → ∞
L =
2.GrenzwerteSchwer
xyx = 0

Bestimme den Grenzwert L = limx→0 (1 − cos 5x)/(2x²), mit x im Bogenmaß.

f(x) = (1 − cos 5x)/(2x²)x → 0
L =
3.AbleitungenMittel
xyx = 1,5

Gegeben ist f(x) = x·sin(x), mit x im Bogenmaß. Bestimme f′(1,5).

f(x) = x·sin(x)x = 1,5 rad
f′(1.5) =
4.AbleitungenSchwer
xyx = 3

Die Tangente an f(x) = 3x2 − 5x + 1 bei x = 3 schneidet die y-Achse bei y = b. Bestimme b.

f(x) = 3x2 − 5x + 1x = 3
b =
5.IntegraleMittel
xy12y = x ln x

Berechne I = ∫₁2 x·ln x dx.

∫₁2 x ln x dx
I =
6.IntegraleSchwer
xyy = 2x2​y = 3x

Bestimme die Fläche A des Gebiets, das von y = 2x2 und y = 3x eingeschlossen wird.

y = 2x2y = 3x
A =
7.Komplexe ZahlenMittel
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Schreibe z = 8∠35° in kartesischer Form a + jb und gib den Imaginärteil b an.

r = 8θ = 35°
b =
8.Komplexe ZahlenSchwer
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Die Gleichung z² − 8z + 17 = 0 hat zwei komplexe Lösungen. Bestimme ihren Betrag |z|.

p = −8q = 17
|z| =
9.DifferentialgleichungenMittel
tyy(0) = 1y(1) = ?

Löse y″ + 8y′ + 15y = 0 mit y(0) = 1 und y′(0) = 4. Bestimme y(1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = 4
y(1) =
10.DifferentialgleichungenSchwer
tyK = 10ymax​ = ?

Ein System gehorcht y″ + y′ + 16,25y = 162,5 für t ≥ 0, ausgehend von der Ruhe: y(0) = 0, y′(0) = 0. Bestimme den Spitzenwert ymax seiner Sprungantwort.

y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
11.Matrizen & DeterminantenMittel
A =−54−41B =1544

Sei C = AB für die gezeigten Matrizen. Bestimme den Eintrag c11 (Zeile 1, Spalte 1).

A = [−5 4; −4 1]B = [1 5; 4 4]
c11 =
12.Matrizen & DeterminantenSchwer
A =53−4−4b =−8−10

Löse das Gleichungssystem 5x + 3y = −8 und −4x − 4y = −10. Bestimme x.

5x + 3y = −8−4x − 4y = −10
x =
13.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktMittel
xyzab

Bestimme die skalare Projektion compb a von a = (0, 4, 6) auf b = (3, 4, −6), also die Komponente von a in Richtung von b.

a = (0, 4, 6)b = (3, 4, −6)
compb a =
14.Vektoren: Skalar- und KreuzproduktSchwer
xyzab

Der Einheitsvektor n̂ steht senkrecht auf a = (2, 4, 1) und b = (4, −4, 3) und hat eine positive z-Komponente. Bestimme seine x-Komponente n̂x.

a = (2, 4, 1)b = (4, −4, 3)n̂z > 0
n̂x =
15.WahrscheinlichkeitMittel
P(mindestens eine Sechs) = ??1?2?3?4?5?6?7P(Sechs) = 1/6 bei jedem Wurf

Ein fairer Würfel wird 7-mal geworfen. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit P, mindestens eine Sechs zu würfeln?

n = 7
P =
16.WahrscheinlichkeitSchwer
€p(x)−30,790,25570,05

Ein Spiel kostet €3 Einsatz. Du gewinnst €12 mit der Wahrscheinlichkeit 0,25 und €60 mit der Wahrscheinlichkeit 0,05; sonst gewinnst du nichts. Der Einsatz wird nicht zurückgegeben. Bestimme den erwarteten Nettogewinn E(G) pro Spiel.

Einsatz = €3€12: p = 0,25€60: p = 0,05
E(G) = €
17.Beschreibende StatistikMittel
253035404550

Bestimme die Stichproben-Standardabweichung s der Daten: 34, 34, 25, 40, 50.

n = 5
s =
18.Beschreibende StatistikSchwer
z −2−1012

Eine Größe ist normalverteilt mit Mittelwert 100 und Standardabweichung 20. Welcher Anteil P der Werte liegt unter 76?

μ = 100σ = 20x = 76
P =
19.NormalverteilungMittel
−3−2−10123zschattierte Fläche rechts von z = 0,0129

Ziehe z so, dass die schattierte Fläche unter der Standardnormalverteilung rechts von z gleich 0,0129 ist. Bestimme z auf zwei Nachkommastellen.

A = 0,0129
z =
20.NormalverteilungSchwer
10 g0X − Y?

Die Massen X eines Produkts von Linie 1 und Y von Linie 2 sind unabhängig und normalverteilt: X hat den Mittelwert 500 g und die Standardabweichung 8 g, Y hat den Mittelwert 490 g und die Standardabweichung 6 g. Bestimme die Wahrscheinlichkeit P, dass X größer als Y ist. Runde z auf zwei Dezimalstellen.

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =

3Lösungen

1.Grenzwerte

Antwort: L = 0,3679

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Den Logarithmus bilden

ln L = limx→∞ x·ln(1 − 1/x)

Auswerten

ln(1 + u)/u → 1 für u → 0, also x·ln(1 + a/x) → a.

ln L = 1·(−1) = −1

Den Logarithmus rückgängig machen

L = e−1 = 0,3679

Antwort

L = 0,3679
2.Grenzwerte

Antwort: L = 6,25

Grenzwerte: Versuche zuerst direktes Einsetzen. Ergibt sich 0/0, vereinfache zuerst: faktorisiere und kürze den gemeinsamen Faktor oder erweitere mit der Konjugierten. Für x → ∞ teilst du Zähler und Nenner durch die höchste Potenz von x. Regel von L'Hôpital: Ergibt f/g die Form 0/0 oder ∞/∞, dann ist lim f/g = lim f′/g′, wobei Zähler und Nenner getrennt abgeleitet werden (nicht mit der Quotientenregel).

Erste Anwendung

5·sin 5x/(4x) → 0/0

Zweite Anwendung

25·cos 5x/4

x = 0 einsetzen

L = 25/4 = 6,25

Antwort

L = 6,25
3.Ableitungen

Antwort: f′(1.5) = 1,104

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Produkt- und Kettenregel

f′(x) = sin(x) + x·cos(x)

Einsetzen

f′(1,5) = 0,9975 + 1,5·0,07074 = 1,104

Antwort

f′(1,5) = 1,104
4.Ableitungen

Antwort: b = −26

Differenzieren: Die Ableitung f′(x) ist die Steigung des Graphen bei x. Potenzregel: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Produktregel: (uv)′ = u′v + uv′. Kettenregel: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Wo f′(x) = 0 ist, hat der Graph eine waagerechte Tangente: ein Maximum, Minimum oder einen Sattelpunkt.

Punkt und Steigung

f(3) = 13
f′(x) = 6x − 5 → f′(3) = 13

Tangente bei x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 13 − 13·3 = −26

Antwort

b = −26
5.Integrale

Antwort: I = 0,6363

Partielle Integration: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, aus der Produktregel. Wähle u als den Faktor, der beim Ableiten einfacher wird (eine Potenz von x oder ln x), und dv als den Faktor, den du integrieren kannst (eˣ, sin x, cos x oder x, wenn u = ln x). Werte bei einem bestimmten Integral u·v an beiden Grenzen aus: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Ein Faktor x² braucht zwei Runden.

u und dv wählen

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Stammfunktion

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Grenzwerte

(2·ln 2 − 1) − (0 − 0,25) = 0,6363

Antwort

I = 0,6363
6.Integrale

Antwort: A = 1,125

Bestimmte Integrale: ∫ₐᵇ f(x) dx ist die orientierte Fläche zwischen dem Graphen und der x-Achse von a bis b. Finde eine Stammfunktion F (mit F′ = f) und berechne F(b) − F(a). Potenzregel: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Die Fläche zwischen zwei Kurven ist ∫(obere − untere) dx.

Schnittpunkte

2x2 = 3x → x = 0, x = 1,5

Obere minus untere integrieren

A = [1,5x2 − 0,6667x3]01,5 = 1,125

Antwort

A = 1,125
7.Komplexe Zahlen

Antwort: b = 4,589

Polarform: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, mit r = |z| und θ = arg z. Zurück zur kartesischen Form: a = r cos θ, b = r sin θ. Für das Argument braucht man den Quadranten: θ = atan(b/a) gilt nur für a > 0; für a < 0 addiere oder subtrahiere 180°. In der Polarform ist die Multiplikation einfach: Multipliziere die Beträge und addiere die Argumente; bei der Division teile die Beträge und subtrahiere die Argumente.

Komponenten

a = 8·cos(35°) = 6,553
b = 8·sin(35°) = 4,589

Kartesische Form

z = 6,553 + j4,589
b = 4,589

Antwort

b = 4,589
8.Komplexe Zahlen

Antwort: |z| = 4,123

De Moivre und Wurzeln: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Die Gleichung zⁿ = R∠φ hat genau n Lösungen, alle mit dem Betrag R1/n, bei den Argumenten (φ + 360°·k)/n für k = 0, 1, …, n − 1: Sie liegen gleichmäßig verteilt auf einem Kreis, jeweils 360°/n auseinander. Eine quadratische Gleichung z² + pz + q = 0 mit p² < 4q hat die komplexen Lösungen z = −p/2 ± j√(q − p²/4); ein Polynom mit reellen Koeffizienten hat seine komplexen Nullstellen immer in konjugierten Paaren a ± jb.

Diskriminante

p² − 4q = 64 − 68 = −4 < 0

Lösungsformel

z = (8 ± j√4)/2 = 4 + j, 4 − j

Antwort

|z| = √(4² + 1²) = √17 = 4,123

Antwort

|z| = 4,123
9.Differentialgleichungen

Antwort: y(1) = 0,2005

Lineare Gleichungen zweiter Ordnung: Für y″ + b·y′ + c·y = 0 mache den Ansatz y = ert: Das ergibt die charakteristische Gleichung r² + b·r + c = 0. Zwei reelle Wurzeln r₁ ≠ r₂ ergeben y = A·er₁t + B·er₂t (überdämpft); eine doppelte Wurzel r ergibt y = (A + Bt)·ert (aperiodischer Grenzfall); komplexe Wurzeln −α ± jω ergeben y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (unterdämpft, schwingend). Die Anfangswerte y(0) und y′(0) legen A und B fest. In der Form y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 ist ωn die Eigenfrequenz und ζ der Dämpfungsgrad: Für ζ < 1 schwingt das System. Bei konstanter Eingangsgröße, y″ + by′ + cy = c·K, ist die Lösung der stationäre Wert K plus die freie Antwort.

Charakteristische Wurzeln

(r + 3)(r + 5) = 0 → r = −3, −5

Konstanten aus den Anfangswerten

A + B = 1, −3A − 5B = 4
A = 4,5, B = −3,5

Auswerten

y(1) = 4,5·e−3 + (−3,5)·e−5 = 0,2005

Antwort

y(1) = 0,2005
10.Differentialgleichungen

Antwort: ymax = 16,75

Lineare Gleichungen zweiter Ordnung: Für y″ + b·y′ + c·y = 0 mache den Ansatz y = ert: Das ergibt die charakteristische Gleichung r² + b·r + c = 0. Zwei reelle Wurzeln r₁ ≠ r₂ ergeben y = A·er₁t + B·er₂t (überdämpft); eine doppelte Wurzel r ergibt y = (A + Bt)·ert (aperiodischer Grenzfall); komplexe Wurzeln −α ± jω ergeben y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (unterdämpft, schwingend). Die Anfangswerte y(0) und y′(0) legen A und B fest. In der Form y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 ist ωn die Eigenfrequenz und ζ der Dämpfungsgrad: Für ζ < 1 schwingt das System. Bei konstanter Eingangsgröße, y″ + by′ + cy = c·K, ist die Lösung der stationäre Wert K plus die freie Antwort.

Stationärer Wert und Wurzeln

yss = 10, r = −0,5 ± 4j

Konstanten aus den Anfangswerten

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25

Spitzenwert

t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−0,5·π/4) = 16,75

Antwort

ymax = 16,75
11.Matrizen & Determinanten

Antwort: c11 = 11

Matrizen: Die Determinante einer 2×2-Matrix ist ad − bc. Bei 3×3 entwickelst du nach einer Zeile: jeder Eintrag mal die Determinante der 2×2-Matrix, die nach Streichen seiner Zeile und Spalte übrig bleibt, mit abwechselnden Vorzeichen + − +. Eigenwerte λ lösen det(A − λI) = 0; für 2×2 ist das λ² − (Spur)·λ + det = 0.

Zeile mal Spalte

c11 = (−5)·1 + 4·4 = 11

Antwort

c11 = 11
12.Matrizen & Determinanten

Antwort: x = −7,75

Matrizen: Die Determinante einer 2×2-Matrix ist ad − bc. Bei 3×3 entwickelst du nach einer Zeile: jeder Eintrag mal die Determinante der 2×2-Matrix, die nach Streichen seiner Zeile und Spalte übrig bleibt, mit abwechselnden Vorzeichen + − +. Eigenwerte λ lösen det(A − λI) = 0; für 2×2 ist das λ² − (Spur)·λ + det = 0.

Determinante der Koeffizientenmatrix

det A = 5·(−4) − 3·(−4) = −8

Die x-Spalte ersetzen

det Aₓ = (−8)·(−4) − 3·(−10) = 62
x = 62/(−8) = −7,75

Antwort

x = −7,75
y = 10,25
13.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: compb a = −2,561

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Skalarprodukt

a·b = 0·3 + 4·4 + 6·(−6) = −20

Länge von b

|b| = √(3² + 4² + (−6)²) = 7,81

Skalare Projektion

compb a = a·b/|b| = −20/7,81 = −2,561

Antwort

compb a = −2,561

Negativ: a hat eine Komponente, die entgegen b zeigt.

14.Vektoren: Skalar- und Kreuzprodukt

Antwort: n̂x = −0,5534

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Kreuzprodukt

(a × b)x = aybz − azby = 4·3 − 1·(−4) = 16
(a × b)y = azbx − axbz = 1·4 − 2·3 = −2
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−4) − 4·4 = −24

Normieren

Die z-Komponente von a × b ist negativ, verwende also −(a × b).

|a × b| = √(16² + (−2)² + (−24)²) = 28,91
n̂ = −(16, −2, −24)/28,91 = (−0,5534, 0,06917, 0,8301)
n̂x = −0,5534

Antwort

n̂x = −0,5534
15.Wahrscheinlichkeit

Antwort: P = 0,7209

Wahrscheinlichkeit: Bei gleich wahrscheinlichen Ergebnissen gilt P(A) = günstige/mögliche. Bei unabhängigen Ereignissen wird multipliziert: P(A und B) = P(A)·P(B). Das Gegenereignis hilft oft: P(mindestens eins) = 1 − P(keins). Binomial: Bei n unabhängigen Versuchen mit Erfolgswahrscheinlichkeit p gilt P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Gegenereignis

P(keine Sechs) = (5/6)7 = 0,2791
P = 1 − 0,2791 = 0,7209

Antwort

P = 0,7209
16.Wahrscheinlichkeit

Antwort: E(G) = 3 €

Diskrete Zufallsvariablen: Eine Wahrscheinlichkeitsverteilung listet jeden Wert x, den eine Variable annehmen kann, mit seiner Wahrscheinlichkeit p(x) auf; die Wahrscheinlichkeiten liegen zwischen 0 und 1 und summieren sich zu 1. Der Erwartungswert (Mittelwert) ist E(X) = Σx·p(x), der Durchschnitt auf lange Sicht. Die Varianz ist Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², und die Standardabweichung ist σ = √Var(X). Für eine lineare Änderung Y = aX + b gilt: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) und σY = |a|·σX; das Addieren einer Konstanten ändert die Streuung nicht.

Nettoergebnisse

G: 9 (p = 0,25), 57 (p = 0,05), −3 (p = 0,7)

Erwartungswert

E(G) = 9·0,25 + 57·0,05 − 3·0,7 = 3 €

Antwort

E(G) = 3 €

Ein positiver Wert bedeutet, dass du im Durchschnitt Geld gewinnst.

17.Beschreibende Statistik

Antwort: s = 9,209

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Mittelwert

x̄ = 183/5 = 36,6

Quadrierte Abweichungen

Σ(x − x̄)² = (−2,6)² + (−2,6)² + (−11,6)² + 3,4² + 13,4² = 339,2

Standardabweichung

s = √(339,2/4) = 9,209

Antwort

s = 9,209
18.Beschreibende Statistik

Antwort: P = 0,1151

Beschreibende Statistik: Der Mittelwert ist die Summe geteilt durch n; der Median ist der mittlere Wert der sortierten Daten (bei geradem n der Mittelwert der beiden mittleren Werte). Die Stichproben-Standardabweichung ist s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Ein z-Wert z = (x − μ)/σ gibt an, wie viele Standardabweichungen ein Wert vom Mittelwert entfernt liegt.

Standardisieren

z = −1,2

Standardnormalverteilungstabelle

Φ(−1,2) = 0,1151
P = 0,1151

Antwort

P = 0,1151
19.Normalverteilung

Antwort: z = 2,23

Von einer Fläche zurück zu z: Φ(z) ist die Fläche links von z. Für eine linke Randfläche A suche in der Tabelle z mit Φ(z) = A. Eine rechte Randfläche A bedeutet Φ(z) = 1 − A. Eine zentrale Fläche A zwischen −z und z lässt (1 − A)/2 auf jedem Rand übrig, also Φ(z) = (1 + A)/2. Für einen Wert x verwende x = μ + zσ.

Fläche links von z

Φ(z) = 1 − 0,0129 = 0,9871

Die z-Tabelle rückwärts lesen

Finde 0,9871 in der Tabelle und lies z ab.

z = 2,23

Antwort

z = 2,23
20.Normalverteilung

Antwort: P = 0,8413

Summen und Differenzen normalverteilter Variablen: Sind X und Y unabhängig und normalverteilt, sind auch X + Y und X − Y normalverteilt. Die Mittelwerte werden addiert oder subtrahiert: E(X ± Y) = μX ± μY. Die Varianzen addieren sich immer, auch bei einer Differenz: Var(X ± Y) = σX² + σY², also σ = √(σX² + σY²). Standardabweichungen werden nie direkt addiert. Die Summe von n unabhängigen Objekten mit derselben Verteilung hat den Mittelwert n·μ und die Standardabweichung σ·√n. Standardisiere dann wie gewohnt: z = (x − Mittelwert)/σ und lies Φ(z) ab.

Verteilung der Differenz

μ = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

Standardisieren

z = (0 − 10)/10 = −1

Wahrscheinlichkeit

P = 1 − Φ(−1) = 0,8413

Antwort

P = 0,8413

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